Мартенситно стареющая сталь это

Обновлено: 26.04.2024

К аустенитно-мартенситному классу в соответствии с ГОСТ 5632—72 отно­сятся стали, имеющие структуру аустенита и мартенсита, количество кото­рых можно изменить в широких пределах К этому классу относятся стали, химический состав которых выбран с соотношением легирующих элементов, обеспечивающих начало мартенситного превращения при 20—60 °С. Пред­ставители этого класса сталей приведены в табл 19 1, 19 2

Ориентировочно оценку структуры сталей в зависимости от состава мо­жно определить по диаграмме Я М Потака, В А Сагалевич (рис 13.3).

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕКОТОРЫХ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТО - МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА ([1], ГОСТ 5632—72)

Массовая доля элемента *

Продолжение табл. 19.1

Массовая доля элемента

Стали аустенитно-мартеиситного (переходного) класса, лежащего между мартенситным и аустенитным, в зависимости от термической обработки имеют структуру н обладают свойствами, близкими к свойствам сталей аустенитного или мартенситного классов

После закалки с температуры, достаточной для растворения карбидов, структура сталей переходного класса в основном аустенитиая, хотя в зави­симости от марки стали и условий, заданных при выплавке, сталь может содержать некоторое количество мартенсита Однако этот аустенит неустой­чив и при охлаждении до отрицательных температур (рис 19 1) либо плас­тической деформации при температурах у-^а-превращения сравнительно легко превращается в мартенсит, причем полнота мартенситного превраще­ния в последнем случае зависит от температуры деформации Деформация аустенита при температуре 100—200 °С замедляет мартенситное превраще­ние практически до нуля Структурное состояние определяет механические характеристики сталей (табл 19 3)

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ РЕЖИМЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Указанные стали рекомендуются к применению как высокопрочные стали для изделий, работающих в атмосферных условиях, уксуснокислых и других солевых средах, а также для упругих элементов Учитывая высокую пластичность и вязкость металла после закалки, из сталей целесообразно изготовлять детали посредством глубокой штамповки с последующим упроч­нением отпуском Значительное количество остаточного аустенита при соот­ветствующих режимах термообработки обеспечивает высокую пластичность и ударную вязкость сталей при отрицательных температурах и позволяет рекомендовать стали для изделий криогенной техники, работающих до тем­ператур —196 °С [3] В этом случае для обеспечения высокой надежности в эксплуатации стали не следует подвергать старению

Рис 19 1 Структура стали 07Х16Н6 (а) и шва (б) аналогичного состава после полного цикла термической обработки Х200

19.2. Свариваемость сталей

19.2 1. Структура, свойства металла шва и зоны термического влияния

После сварки сталей, прошедших полный цикл упрочняющей термообработки и имеющих благодаря этому мартенситную структуру, наблюдается широкая зона, имеющая после высоко­температурного нагрева структуру аустенита. Ширина зоны определяется температурой обратного мартенситного превра­щения металла (Ас—Ас3) (650—750 °С). Одновременно в ин­тервале температур 550—900 °С происходит интенсивное выде­ление карбидов (рис 19 2), особенно по границам аустенитных зерен. Кроме того, в узкой зоне, примыкающей к поверхности сплавления, наблюдается образование некоторого количества

6- феррита Структурные превращения в зоне термического вли­яния приводят к снижению пластичности и ударной вязкости металла, а также его чувствительности к концентраторам

ТАБЛИЦА 19 3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНО МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА ПРИ НОРМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ [i J

Закалка с 975 °С, обра­ботка холодом, 2 ч, от­пуск при 250—400 °С

Закалка с 975 °С, обра­ботка хотодом 2 ч, ОТ­ПУСК при 425 °С

Закалка с 1050 °С

Закалка с 950 °С обра­ботка холодом 2 ч, от­пуск при 450 °С

Упрочнение с отпуском 200 °С

То же, отпуск 350 °С

То же, отпуск 450 °С

Рис 19 3 Изменение ударной вязкости О 1 KCV-m металла ЗТВ в стали 07Х16Н6 6 = = 11 мм в состоянии после сварки (сварка в ар гоне плавящимся электродом диаметр про волоки 2,0 мм /св=350 А) [2]

Рис 19 2 Структура зоны термине ского влияния сварного соединения стали 07Х16И6 в состоянии после свар ки X100

напряжений (рис. 19.3). Кроме того, эти превращения снижают коррозионную стойкость и стойкость против межкристаллит- ной коррозии ЗТВ.

19.2.2. Хрупкость сварных соединений

Обратное мартенситное превращение в ЗТВ и ограниченный объем последующего мартенситного превращения при охлаж­дении до комнатной температуры исключает при сварке сталей этого класса образование холодных трещин. Вместе с тем ин­тенсивное выделение карбидов, и особенно образование 6-фер­рита, приводят к хрупкому разрушению сварных соединений в зонах структурных изменений, особенно при понижении тем­пературы до —196 °С. Последнее объясняется резким сниже­нием пластичности 6-феррита. В этом случае полная термо­обработка (закалка, обработка холодом, отпуск) позволяет по­лучить оптимальные соотношения аустенита и мартенсита, а также отсутствие 6-феррита. При этом восстанавливается вязкость зоны сплавления при сохранении прочностных харак­теристик сварного соединения на уровне 0,9 ов основного ме­талла в случае выполнения сварки материалами мартенситного либо аустенитно-мартенситного класса.

19.3. Технология сварки и свойства соединений

19.3.1. Выбор сварочных материалов

Соединения стали аустенитно-мартенситного класса целесооб­разно выполнять аргонодуговой сваркой без присадки (тонко­листовые детали) либо с присадкой перечисленными ниже ма­териалами, а также контактной точечной и роликовой сваркой и электронно-лучевой сваркой.

Выбор присадочного материала осуществляют, исходя из требований прочности сварного соединения. В случае отсут­ствия требований высокой прочности к швам в качестве приса­дочной можно рекомендовать аустенитную проволоку Св-01X19Н18Г10АМ4 (ТУ 14-1-1892—71) либо Св-08Х21Н10Г6 (ГОСТ 2246—70), обладающих хорошей стойкостью против образования горячих трещин и высокой прочностью и пластич­ностью в широком интервале температур, в том числе отрица­тельных (до —196 °С).

ТИПИЧНЫЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНО-МАРТЕНСИТНОГО

Мартенситно-стареющие стали

Мартенситно-стареющие стали (МСС) интересуют инженеров и технических работников благодаря хорошему сочетанию прочностных и технологических свойств. Разработаны стали, содержащие кроме железа и никеля Co, Mo, Ti, Al и Nb и Cr. Особенностью данных сталей является то, что они практически не содержат углерод (менее 0,03%), в связи с чем после закалки образуется «легкий» мартенсит.

Это стали на Fe–Ni основе, содержащие 7–20% Νi, дополнительно легированные Co, Mo, Ti, Al и Nb (если нужна коррозионная стойкость, то добавляют и Cr). Классическими считают стали, содержащие 18–25% Ni и с минимальным содержанием углерода. Марки наиболее используемых сталей приведены в таблице 2.4, а классификация МСС – на рисунке 2.1.

Таблица 2.4 - Механические свойства (средние) мартенситно-стареющих сталей

Сталь Тстар, ºС σв, МПа σ0,2, МПа Ψ, % δ, % HRC
Н18К9М5Т (ЭП637) 500 2 200 1 950 - 8 55
Н18К12М5Т2 (Э11809) 500 2 450 2 350 35 7 60
Н16К4М5Т2Ю (ЗИ89) 480 2 050 1 980 40 7,5 55
Н17К12М5Т (ЭП845) 500 2 050 2 000 45 8 54
Н18К14М5Т (ЭИ122) 480 2 400 - 35 9 57
Х12Н8К5МЗТ (ЗИ90) 480 1 700 1 600 55 10 48
Х12Н2К16М4 (ЭИ124) 600 1 600 1 550 55 12 46
08X15Н5Д2Т (ЭП410) 450 1 450 1 350 500 11 43
XI1Н10М2Т (ЭИ678) 500 1 550 1 480 50 8 46

Наиболее интенсивно упрочняют стали такие легирующие элементы, как Ti и Al. Однако суммарное количество этих элементов не должно превышать 1%.

Рисунок 2.1 - Классификация мартенситно-стареющих сталей

При старении мартенсит обедняется легирующими элементами из-за выделения вторичных интерметаллидных фаз типа NiTi, NiTi, NiMo, FeMo, Ni(TiAl).

Причем, наибольшее упрочнение сталь достигает на стадии предвыделения, когда интерметаллиды еще когерентно связаны с матричным твердым раствором и имеют малые размеры. При γ→α - превращении получается мартенсит с небольшой твердостью и невысокими прочностными свойствами. При отпуске углеродистых сталей происходит распад мартенсита с образованием ферритокарбидной смеси, что ведет к понижению прочности и твердости.

Мартенситно-стареющие стали применяют для изготовления деталей ответственного назначения, которым нужна высокая прочность и хорошая вязкость при низких и невысоких температурах. Эти стали используют в самолетостроении, ракетостроении, машиностроении, в криогенной технике.

Также эти стали можно использовать для изготовления пружин и упругих элементов, гибких гидравлических шлангов, подшипников и болтов, сосудов высокого давления, в часовой промышленности. Из этих сталей производят полуфабрикаты в виде поковок, сортового проката, листов, полос, лент, труб.

Подшипниковые стали

Подшипники являются ответственными деталями машин и механизмов. Они во многом определяют точность и производительность металлорежущих станков, надежность электродвигателей, качество автомобилей, тракторов, вагонов и т. д. Отечественная промышленность производит более 5 тысяч типоразмеров подшипников диаметром от 0,5 до 3,0 м.

Стали для подшипников по назначению составляют особую группу конструкционных сталей, но по составу и свойствам они близки к инструментальным сталям.

К особенностям характера работы подшипниковых сталей относятся высокие локальные нагрузки, и, как следствие этого, чрезвычайно высокие требования к чистоте стали по неметаллическим включениям, карбидной неоднородности и др. Основные требования, которые должны обеспечить подшипниковые стали.

1) Высокая статическая грузоподъемность – предельная нагрузка, при которой остаточные деформации в зоне контакта не превышают 0,01% от диаметра шарика или заэвтектоидных легированных хромом сталей, обработанных на высокую твердость.

2) Высокое сопротивление контактной усталости. Эта характеристика чрезвычайно сильно зависит от наличия металлургических дефектов различного рода, особенно сульфидных и оксидных включений, а также водорода, поскольку подшипниковые стали флокеночувствительны.

При производстве подшипниковых сталей применению рафинирующих переплавов уделяется особое внимание. Рафинирующие переплавы позволяют значительно снизить загрязненность стали неметаллическими включениями, что, естественно, удорожает сталь. Если принять за 100% содержание включений в стали ШХ15 открытой выплавки, то для стали, обработанной синтетическим шлаком (ШХ15Ш), оно составляет 45%, для той же стали вакуумно-дуговой выплавки (ШХ15ВД) - 35%, а для стали, обработанной шлаком и дополнительно переплавленной вакуумно-дуговым способом (ШХ15ШД) - 25%. При этом оставшиеся включения более равномерно распределяются в объеме слитка, уменьшается и средний размер включений.

Не менее вредным фактором, с точки зрения контактной усталости, является карбидная неоднородность (карбидная сетка, строчечные включения карбидов и т. п.). Способ устранения этого дефекта заключается в проведении оптимальной пластической и термической обработки.

Износостойкость, в том числе абразивная, достигается введением сталь ~1,0% С и 1,5% Сr. Влияние хрома на износостойкость определяется тем, что он увеличивает количество карбидной фазы и меняет качественно ее состав, позволяя получать твердые специальные карбиды.

Высокое сопротивление малым пластическим деформациям. Это требование наиболее актуально для подшипников точных приборов.

Размерная стабильность. В зависимости от размеров и класса точности подшипников изменения размеров при эксплуатации не должны превышать 10-4–10-5 мм/мм. Размерная стабильность зависит от содержания остаточного аустенита в стали. При увеличении количества остаточного аустенита размерная стабильность ухудшается, так как остаточный аустенит является нестабильной структурной составляющей и при высоких нагрузках может превращаться в мартенсит, что сопровождается объемными изменениями.

В таблице 2.5 приведены составы некоторых подшипниковых сталей

Таблица 2.5 - Состав и область применения подшипниковых сталей

Содержание основных элементов

Подшипниковые стали обычно классифицируются по условиям работы: различают стали общего применения, используемые для изготовления деталей подшипников (колец, шариков, роликов), работающих при температурах от - 60 -+300 °С в неагрессивных средах, и стали специального назначения, предназначенные для изготовления теплостойких и коррозионностойких подшипников. Составы сталей для подшипников общего назначения регламентируются ГОСТ 801–78, а подшипников специального назначения – соответствующими ТУ.

Пружинные стали

Пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов, пружинящих деталей приборов и механизмов, а так же рессор различного типа.

По способу изготовления пружинные стали делят на стали, упрочняемые путем пластической деформации и последующего стабилизирующего отпуска (старения), и стали, упрочняемые путем закалки на пересыщенный твердый раствор и последующего отпуска (старения).

Пружинные материалы наиболее часто используют в виде проволоки или ленты, из которых затем путем навивки, резки или вырубки изготовляют пружины и пружинящие детали необходимой конфигурации. При получении пружинной проволоки или ленты нередко применяют совмещенный способ упрочнения, включающий закалку на пересыщенный раствор и пластическую деформацию с последующим отпуском.

По назначению пружинные стали можно разделить на стали общего и специального назначения.

Стали общего назначения предназначены для изготовления изделий, обладающих высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкостью, при достаточной пластичности и вязкости, а для пружин, работающих при циклических нагрузках, и высоким сопротивлением усталости. Рабочая температура таких пружин обычно не превышает 100. 120 °С.

Требования к свойствам пружинных сталей определяются условиями работы пружин и механизмов, которые могут быть исключительно разнообразны. Наиболее общим требованием ко всем пружинным сталям является обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений).

Химический состав и свойства пружинных сталей общего назначения регламентируются в ГОСТ 14959-79 (таблица 2.6).

Таблица 2.6 - Химический состав и свойства пружинных сталей общего назначения

Содержание основных элементов,%

Пружинные стали общего назначения в виде проволоки или ленты можно упрочнять холодной пластической деформацией или закалкой на мартенсит с последующим отпуском.

Путем пластической деформации особенно широко обрабатывают углеродистые стали с 0,65 - 1,2% С. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.

Пружинные стали специального назначения кроме высоких значений предела упругости могут иметь еще высокую коррозионную Стойкость, теплостойкость (высокое сопротивление релаксации при Повышенных температурах), немагнитность и др. К таким сталям относятся высоколегированные мартенситные, мартенситно-стареющие и аустенитные стали

В качестве коррозионностойких пружинных сталей применяют мартенситные стали. Для получения высокой коррозионной стойкости стали легируют хромом в количестве более 12% стали типа 30X13 и 40X13 после закалки от температур 1000 - 1050 °С и отпуска. Режим отпуска зависит от назначения пружин. Для работы при комнатной температуре применяют отпуск при 300 - 350 °С, а в условиях повышенных температур при 500 - 550 °С. Повышенная прокаливаемость таких сталей позволяет использовать их для пружин больших сечений. Для повышения релаксационной стойкости коррозионностойкие стали мартенситного класса дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Так, сталь 12Х12Н2ВМФ имеет рабочую температуру 350 °С, что на 50 °С выше, чем у стали 30X13.

Высокопрочные стали

К высокопрочным относятся стали, временное сопротивление которых σB >1600 МПа (таблица 2.7). Стали с пределом текучести более 2000 МПа иногда называют сверхвысокопрочными.

Получение сталей высокой прочности неизбежно ведет к понижению характеристик пластичности и прежде всего сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому надежность стали в конструкции (изделии) может быть охарактеризована конструктивной прочностью - комплексом механических свойств, находящихся в корреляции с эксплуатационными условиями работы изделий.

Таблица 2.7 - Химический состав и свойства высокопрочных сталей

Марка стали

Страна

Содержание элементов (среднее),%

Высокопрочные стали должны иметь достаточные пластичность, сопротивление динамическим грузкам, ударную вязкость, усталостную прочность, а для ряда изделий и хорошую свариваемость.

При выплавке высокопрочных сталей применяют чистые шихтовые материалы, специальные методы выплавки, повышающие чистоту стали по неметаллическим включениям, газам и вредным Примесям, такие как электрошлаковый переплав, вакуумные способы плавки и др., которые повышают пластичность стали, но при этом и удорожают сталь.

Существуют разные способы получения высокопрочных сталей: закалка на мартенсит с низким отпуском (300-350 °С) и вторичное твердение в интервале температур 500-650 °С, а также ряд специальных технологических процессов, к которым можно отнести термомеханическую обработку, волочение сталей со структурой тонкопластинчатой феррито-карбидной смеси, получение сталей со структурой сверхмелкого зерна и некоторые другие. К высокопрочным сталям относятся пружинные, а также большинство мартенсито-стареющих сталей (главы XVII и XVIII). Важное значение имеет группа высокопрочных сталей со структурой метастабильного аустенита.

Прежде всего высокопрочные стали применяют в изделиях, для которых важно уменьшение массы при сохранении высокой прочности. Это могут быть высокопрочные болты и крепежные изделия, некоторые виды тросов и прядей, высокоскоростные роторы, валы и многие другие детали машин и механизмов. Высокопрочные стали используют в космической, ракетной, авиационной технике, а также в ряде отраслей приборостроения.

Рельсовые стали

Производство рельсов в нашей стране составляет около 3,5% от общего производства готового проката, а грузонапряженность железных дорог в 5 раз выше, чем в США, и в 8 - 12 раз выше, чем на дорогах других развитых капиталистических стран. Это налагает особо высокие требования к качеству рельсов и стали для их изготовления.

- по типам Р50, Р65, Р65К (для наружных нитей кривых участков пути), Р75;

- категориям качества: В – рельсы термоупрочненные высшего качества, T1, T2 – рельсы термоупрочненные, Н – рельсы нетермоупрочненные;

- наличию болтовых отверстий: с отверстиями на обоих концах, без отверстий;

- способу выплавки стали: М – из мартеновской стали, К – из конвертерной стали, Э – из электростали;

- виду исходных заготовок: из слитков, из непрерывно-литых заготовок (НЛЗ);

- способу противофлокенной обработки: из вакуумированной стали, прошедшие контролируемое охлаждение, прошедшие изотермическую выдержку.

Химический состав рельсовых сталей представлен в табл. 6. в марках стали буквы М, К и Э обозначают способ выплавки стали, цифры – среднюю массовую долю углерода, буквы Ф, С, X, Т – легирование стали ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

Термическая обработка мартенситно-стареющей стали

Следует отметить, что мартенситно-стареющие стали в состоянии высокой прочности по уровню ударной вязкости (KCU) мало отличаются от других высокопрочных конструкционных сталей. Однако температура порога хладноломкости у них гораздо ниже, а значение КСТ выше, чем у углеродосодержащих высокопрочных сталей (КСТ = 0,25. 0,30 вместо 0,06. 0,08 МДж/м 2 ).

В настоящее время мартенситно-стареющие стали находят все большее применение для изготовления деталей высокой ответственности в области вооружения, авиационной и космической техники и других отраслях промышленности, где требуется высокая надежность и малый вес используемых конструкций. Стали с повышенным содержанием углерода (до 0,03 %) Х11Н10М2Т, Х12Н8М2ТЮ, Х16К4М4Т2Ю, Х12Н4К15М4Тобладаютвысоким значением условного предела упругости и релаксационной стойкостью. Поэтому они находят применение для изготовления пружин специального назначения [15].

Термическая обработка мартенситно-стареющих сталей состоит из двух операций: закалки и последующего старения.

Так как стали в результате высокого легирования обладают большой устойчивостью аустенита, их охлаждение при закалке можно проводить в масле или на воздухе. Стали не чувствительны к перегреву. Температура нагрева определяется полнотой растворения интерметаллидов и гомогенизацией аустенита.

После закалки сталь обладает низкой твердостью и высокой пластичностью, поэтому ее можно обрабатывать резанием и подвергать пластической деформации.

Окончательные свойства стали приобретают после старения, которое про­водят при температурах 470. 530 о С в зависимости от марки стали.

Изменяя в небольших пределах температуру закалки относительно рекомендуемых пределов, можно повысить или понизить прочность стали в состаренном состоянии. Повышение температуры приводит к увеличению прочности и снижению пластичности и вязкости при тех же режимах старения. Но больший эффект изменения комплекса свойств дает изменение режимов старения. Для примера на рис. 95 приведен график изменения условного предела текучести экономнолегированной стали 03Х11Н10М2Т, закаленной от температуры 950 °С и состаренной в широких интервалах температурного диапазона и времени старения.

Такие графики и их математические модели были получены для различных свойств в результате реализации центрального плана и обработки результатов эксперимента с помощью программы “STATISTICA”. Пример для изменения ударной вязкости в результате старения в широком интервале температур и времен старения показан на рис. 96. Статистическая обработка позволяет получать не только наглядную картину изменения свойств стали после термической обработки в различных температурно-временных условиях, но и получать математические модели, описывающие процесс упрочнения стали с доверительной вероятностью 0,98. Наличие математических моделей изменения различных свойств при термической обработке позволяет решать задачи выбора режимов термической об­ра­ботки способных обес­печить комплекс свойств стали, определяющий дол­­говечность изделия.

Мартенситно-старе­ю­щие стали приобретают необходимые свойства не на стадии закалки, а в процессе старения.

Эта особенность позволяет изготав-ливать из них детали высокой точности. Наибольшую деформа-цию заготовки приобретают в процессе охлаждения при закалке за счет термических напряже-ний и фазового перехода аустенита в мартенсит. Углеродистые стали (в том числе легированные) облада-ют в закаленном состоянии плохой обрабатываемостью и низкой пластичностью, что не позволяет их подвергать правке пос-редством деформации.

Мартенситно-старею-щие стали менее склонны к деформации при закалке, а в закаленном состоянии пластичны и легко подвергаются правке и механической обработке. В процессе же старения выделение упрочняющих фаз не приводят к объемным изменениям, что позволяет сохранять форму и размеры детали, приданные ей после закалки. Поэтому их можно использовать для изготовления прецизионных деталей.

Термическая обработка мартенситно-стареющей стали. Марки и химический состав сталей ПП и РП Тип Марка Содержание элементов, % С Si Mn Cr Не более

Сталь ШХ4 применяется для изготовления подшипников качения крупных серий, например, для подшипников железнодорожного транспорта.

Нагрев при закалке этих сталей в печах или их охлаждение в обычных закалочных устройствах дает отрицательный результат.

Л 11. Мартенситно-стареющие стали. – 2 ч.

Как было показано выше, использование традиционных методов создания высокопрочного состояния стали посредством легирования железа углеродом и последующей закалкой на мартенсит, нельзя добиться одновременно высокой прочности и высокой вязкости стали. Это связано с морфологией углеродистого мартенсита. Поэтому были предприняты попытки по использованию других механизмов упрочнения сплавов на основе железа, которые привели к созданию безуглеродистых сталей, где углерод является нежелательной примесью.

Анализируя можно прийти к выводу, что значительное упрочнение с минимальной потерей вязкости можно получить, используя механизмы зернограничного и дисперсионного упрочнения. Для этого необходимо в стали получить сверхмелкое зерно и упрочнить твердый раствор дисперсными интерметаллидами.

Из всех фаз, существующих в стали, самым мелким зерном обладает мартенсит. Поэтому можно использовать мартенситное превращение для получения мелкозернистой структуры. Мартенситное превращение протекает в безуглеродистых сплавах железа с никелем (¢–фаза с ОЦК решеткой) и сплавах железа с марганцем (,¢и″– фазы с ГПУ решеткой).

Легирование железа марганцем интенсивно стабилизирует аустенит и в закаленном Fe–Mn-сплаве после закалки остаются крупные зерна аустенита.

Никель в меньшей мере стабилизирует аустенит и в пределах концентраций никеля в железе 8. 24 % образуется структура реечного мартенсита без остаточного аустенита. Пакеты реечного мартенсита имеют ячеистую дислокационную структуру и поэтому он обладает достаточно высокой вязкостью. Но прочность его невысока.

Вторым легирующим элементом должен быть элемент, имеющий ограниченную растворимость в железоникелевой матрице. Таковым является молибден, предельная растворимость которого при температуре ¢– перехода составляет ~ 6 %, а при комнатной температуре около 3 %. Молибден за пределами растворимости образует с железом интерметаллидную фазу Fe2Mo, а с никелем – Ni3Mo.

Кроме молибдена, ограниченную растворимость в Fe–Ni-матрице имеют Ti, Be, Al, W, Cu и некоторые другие элементы.

Положительно влияет комплексное легирование при со­вместных добавках молибдена и кобальта – в этом случае интенсивность упрочнения при старении существенно воз­растает. Такое влияние кобальта связывают с уменьшени­ем растворимости молибдена в a-железе (10 % Со умень­шает растворимость молибдена на1,5 %), а также с проте­канием процесса упорядочения в системе Fе–Со с образованием областей ближнего порядка. Кроме того, кобальт увеличивает теплостойкость матрицы. Поэтому присутствие кобальта в составе мартенситно-стареющих сталей желательно. Однако высокая стоимость кобальта привела к созданию группы экономно легированных сталей, не содержащих Со, а также имеющих в составе пониженную концентрацию никеля и молибдена и повышенное содержание углерода.

Введение в сталь хрома снижает вязкость, но делает сталь коррозионностойкой и теплостойкой. Такие стали нашли применение при изготовлении штампов для горячей штамповки.

В табл. 19 показаны типовые фазы, выделяющиеся при старении в сталях с различным легированием.

Качественно можно оценить свойства мартенситно-стареющей стали по уравнениям Цупакава и Уэхара:

= 11+ 42,4 %Ni + 158,5 %Mo + 37,7 %Co + 322,4 %Ti, МПа и

= 44,12 – 0,46 %Ni – 2,42 %Mo – 0,6 %Co – 5,2 %Ti, %.

Важным преимуществом мартенситно-стареющих сталей перед другими высокопрочными материалами является необычно высокое сопротивление хрупкому разрушению. Так, если значение К1с для улучшенной конструкционной стали мартенситного класса типа 40ХН2МА равно ~16 МПа×м 1/2 , то для стали Н18К9М5Т при том же уровне предела текучести оно равно 32. 40 МПа×м 1/2 .

МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ (Лазько В. Е.)

Мартенситно-стареющие стали отличает особый механизм упрочнения, осно­ванный иа выделениях иитерметаллидов типа Ni (Ті, Ai), Ni3Ti, Ni3Mo при нагреве 400—550 °С твердых рартворов железа с никелем и добавками раз­личных элементов замещения При этом обеспечивается ств= 1500-4-2000 МПа, а для ряда композиций до 2800 МПа. Максимальное упрочнение при старе­нии достигается в безуглеродистых сплавах как необходимом условии пре­дотвращения связывания легирующих элементов в карбиды. Поэтому обра­зующийся при закалке таких сталей мартенсит сравнительно мягок (ств = 700—1100 МПа) и пластичен.

Основной системой легирования мартеиситно-стареющей стали, обеспе­чивающей максимальный уровень прочности, является железоникелевый сплав (18—25% Ni), содержащий добавки Мо, Со, Ті и Al (Н18К9М5Т, Н18К8М5ТЮ, Н18К12М5Т и др.). Другой распространенной системой, обес­печивающей уровень прочности сГв=£Д600 МПа, является железохромонике­левый сплав (10—13% Сг и 5—10% Ni) с добавками Мо, Со, Ті и А1 (Х11Н10М2ТЮ, Х12Н9К4МВТ, 03Х12К14Н5М5Т и др.). В структуре этих сталей может быть 10—40 % остаточного аустенита Третьей системой леги­рования мартенситио-стареющих сталей, обеспечивающей уровень прочности Ов

Микроструктура типичных мартенситио-стареющих сталей представляет так называемый «массивный» мартенсит в виде пакетов ферритных пластин, разделенных малоугловыми границами. Высокая плотность дислокаций и границ в объеме мартенсита обеспечивает однородное распределение вы­деляющихся при старении частиц с расстоянием между ними 0,2—0,5 мкм.

Мартеиситно-стареющие стали изготавливаются в виде поковок, штам­повок, листов, отливок, прутков и проволоки, в том числе и сварочной Для стабилизации значений пластических характеристик, увеличения уста­лостной прочности и предотвращения водородного охрупчивания применя­ется вакуумный переплав металла, повышающий чистоту по содержанию неметаллических включений, газов и примесей Цветных металлов. Для умень­шения содержания углерода и азота в некоторых случаях применяют элек­тронно-лучевой переплав.

Относительно высокая стоимость мартенситио-стареющих сталей огра­ничивает применение конструкциями, где на первый план выдвигается необ­ходимость обеспечения повышенной удельной прочности, в том числе и при сварке закаленных элементов, при низкой чувствительности к наличию над-

Т А БЛИЦ А 20.1 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАРТЕНСИТИО-СТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

резов и трещииоподобиых дефектов Типичные области применения: оболочки летательных аппаратов, корпуса двигателей, сосуды высокого давлення, из­делия криогенного назначения и др. [1].

20.2. Свариваемость сталей

20.2.1. Фазовые и структурные превращения

По свариваемости мартенситно-стареющие стали превосходят широко используемые углеродистые легированные стали. Они мало чувствительны к образованию горячих и холодных тре­щин; обеспечивают повышенный уровень механических свойств сварных соединений в нетермообработанном состоянии и воз­можность достижения равнопрочности основному металлу про­ведением после сварки старения.

Высокая прокаливаемость мартенситно-стареющих сталей предопределяет получение мартенситной структуры независимо от скорости охлаждения после аустенитизации. Повышенное со­держание легирующих элементов может сместить температуру окончания мартенситного превращения ниже комнатной, что обусловит наличие в структуре определенного количества оста­точного аустенита. Другой причиной его появления является нагрев закаленной стали на температуру, близкую к 600 °С, что приводит к обратному а—у-превращению.

Как при сварке в термоупрочненном, так и отожженном со­стоянии старение в зоне термического влияния происходит там, где нагрев достигал температур 480—540 °С. В тех случаях ЗТВ, где температура была 650 °С, мартенсит распадается на феррит и обогащенный никелем и, следовательно, стабильный аустенит. При охлаждении до комнатной температуры эти структурные составляющие сохраняются и не претерпевают из­менений в результате старения после сварки.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА СВАРОЧНЫХ ПРОВОЛОК

Свойства наплавлен­ного металла

20.2.2. Сопротивляемость ГТ

Благодаря низкому содержанию углерода в большинстве марок мартенситио-стареющих сталей сопротивляемость ГТ находится на высоком уровне (табл. 20.2). Случаи поражения сварных швов горячими трещинами наблюдались при содержании С 0,1—0,2 % или наличии в сварочной проволоке редкоземельных элементов свыше 0,03 %. Согласно [1], сварочная проволока не должна также содержать Са, В и Zr. Легирование Со до 5 % приводит к увеличению сопротивляемости трещинам [2].

20.2.3. Сопротивляемость ХТ

Безуглеродистые и малоуглеродистые мартенситно-стареющие стали проявляют чувствительность к образованию ХТ только в ' присутствии Н. Неравномерность распределения водорода по зонам сварного соединения предопределяет места преиму­щественного зарождения трещин по центру сварного шва, ли­нии сплавления и карбидной сетке в зоне термического влия­ния. Особенно неблагоприятна многопроходная сварка, при ко­торой увеличение продолжительности пребывания металла в температурном интервале выпадения карбидов и интерметал­лидов приводит к росту размеров включений, повышению ло­кального напряженного состояния и концентрации Н, облег­чающих зарождение трещин. Предотвращение образования ХТ достигается при наличии в структуре свыше 20 % остаточного аустенита. Действие легирующих элементов обусловлено в ос­новном влиянием двух факторов: изменения растворимости Н и содержания остаточного аустенита в металле шва. При мар­тенситной структуре повышение содержания Мо и Ni ухудшает, а Мп и Со увеличивает сопротивление холодным трещинам в соответствии с изменением растворимости Н. В то же время Ni и Мо могут играть положительную роль, если при легиро­вании образуется остаточный аустенит.

20.2.4. Структурные и технологические дефекты сварных соединений

Низкий уровень содержания элементов-раскислителей (С, Si и Мп) в мартенситио-стареющих сталях обусловливает опреде­ленные трудности с предотвращением образования пористости, несплавлений и загрязненности неметаллическими включениями металла шва. Развитие указанных явлений в существенной мере зависит от содержания А1 и Ті, определяющих также и уровень прочности соединения. Типичное содержание А1 и Ті в свароч­ных проволоках вызывает неравномерное окисление легирую­щих элементов в зоие сварки и, как следствие, нестабильность

состава и свойств металла шва. Окисление титана, кроме того, приводит при сварке малых толщин к образованию на поверх­ности металла шва местных утолщений в виде пленки окислов, а также криволинейной форме соединения вследствие повышен­ного эффекта блуждания дуги (перемещения анодного пятна на участок металла, свободного от шлаков).

Специфический дефект сварных швов—дендритный излом, сопровождаемый резким ухудшением ударной вязкости и уста­лостной прочности металла шва. В первую очередь этому спо­собствует укрупнение размера зерна в металле шва с более вы­соким содержанием Ni при чрезвычайной устойчивости возник­шей крупнозернистой структуры к различного вида термической обработке (структурная наследственность). Другая причина связана с высокой химической неоднородностью распределения элементов, в частности Ті и Мо, способствующих неравномер­ному распаду твердого раствора при старении с образованием скоплений грубых частиц по границам крупнозернистого ме­талла. Обычно применяемая для предотвращения грубокри - сталл'итной структуры металла шва регламентация 1,5—4 % б-феррита, препятствующего прорастанию дендритов через не­сколько слоев, ограничена только группой нержавеющих мар - тенситно-стареющих сталей, где возможно добиться необходи­мого соотношения между феррито - и аустенитообразующими элементами.

20.3. Технология сварки и свойства сварных соединений

20.3.1. Способы сварки плавлением

Мартенситно-стареющие стали могут свариваться всеми видами сварки. Благодаря специфическому механизму упрочнения тех­нология изготовления различных изделий из этих сталей отли­чается простотой и надежностью. Это связано как с возмож­ностью сваривать без подогрева и последующего немедленного отпуска, так и обеспечить близкие к основному металлу свой­ства применением после сварки простой операции старения.

Наиболее распространенными способами сварки мартенсит - но-стареющих сталей являются ЭЛС и аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом: импульсная, с поперечными коле­баниями электрода, со сканирующей дугой (для малых тол­щин) и в щелевую разделку (для больших толщин). Указанные способы сварки обеспечивают мелкозернистое строение металла шва, малый перегрев околошовной зоны и близкие к основному металлу механические свойства. Для устранения глубоко зале­гающих дефектов применяют вращающийся неплавящийся электрод при осевой подаче присадочной проволоки. Используе­мые присадочные проволоки обычно имеют близкий к основ­ному металлу состав (табл. 20.2). Для компенсации потерь упрочняющих элементов при выгорании их содержание может быть увеличено по сравнению со свариваемой сталью [1].

К достаточно распространенным способам дуговой сварки следует отнести ручную штучными электродами с покрытием и/ автоматическую под слоем флюса. Имеется ряд работ о возч можности получения качественных сварных соединений при ис/ пользовании самозащитной порошковой проволоки или сварке в углекислом газе [3, 4].

Весьма перспективно применение лазерной сварки, позво­ляющей получить соединения с большей стойкостью против коррозионного растрескивания, чем при ЭЛС и АДС.

20.3.2. Способы сварки давлением

Контактная стыковая сварка Сопротивлением весьма подходит для соединения мартенситио-стареющих сталей. Этот способ с успехом применяется, когда необходимо получить более или менее одинаковые сварные детали, и он очень удобен при про­ведении предварительных опытов по нахождению оптимальных условий сварки.

Наиболее широко распространена контактная точечная сварка. Сравнительно мягкий и пластичный мартенсит предот­вращает преждевременное разрушение по присущему этому типу соединений концентратору напряжений, что наблюдается при сварке обычной высокопрочной стали.

Для изготовления единичных деталей применяется диффузи­онная сварка и сварка взрывом. Для определенных деталей перспективна сварка трением.

20.3.3. Меры предотвращения дефектов

Для предотвращения пористости при сварке все материалы и агрегаты должны быть скрупулезно чистыми. Детали, изготов­ленные резанием с использованием СОЖ, необходимо обезжи­рить, а затем промыть горячей водой для удаления натрийсо­держащих веществ на свариваемых кромках, вызывающих пористость н интенсивное разбрызгивание. Для снижения кон­центрации растворенных элементов и получения более глад­кого сварного шва кромки листа должны быть по возможности скошены.

Особое внимание следует уделять закреплению и установке свариваемого изделия в приспособлении. При некачественной подгонке сварочных стыков, когда зазоры в корневой части со­ставляют около 1,6 мм, предотвращение горячих трещин пред­ставляет серьезную проблему. Особо подвержены растрескива­нию при кристаллизации угловые швы, поскольку проплавление более тонкой пластины увеличивает ширину зазора между сва­рочными кромками, тем самым задерживая кристаллизацию центральной части шва. Сопротивляемость горячим трещинам і можно повысить увеличением коэффициента формы шва, что (достигается переходом от однопроходной к двухпроходной сварке, увеличением угла разделки кромок и изменением со­става защитного газа. Сварка на пониженных токах также спо­собствует устранению трещин вследствие перехода от швов с во­гнутой формой к выпуклой.

I Для предупреждения формирования по высоте сварного шва оревого столба кристаллитов и возникновения древовидного из­лома при многопроходной сварке следует стремиться к щеле­вой разделке кромок. Целесообразно также менять от слоя к слою направление сварки, что дезориентирует структуру ме­талла шва, снижая чувствительность к горячим трещинам и об­разованию дендритного излома. Этим же целям служит и сварка на оптимальных скоростях, приводящая к смене ячеи­стой на дендритную структуру металла шва.

Для предотвращения холодных трещин следует ограничи­вать содержание Н в соединении менее 0,5—0,8 см3/100 г. Это достигают как проведением-обезводороживающего отжига ос­новного металла и сварочной проволоки, так и отпуска или старения после сварки в интервале 300—540 °С. Следует тща­тельно контролировать проведение многопроходной сварки, до­биваясь отсутствия мартенситного превращения в нижележа­щих слоях перед выполнением последующих слоев (сварка с предварительным и сопутствующим подогревом, регулирова­ние термического цикла сварки и др.). Это уменьшает уровень максимальных напряжений I и II рода и предотвращает кар­бидные выделения в корне шва, являющиеся местами аккуму­ляции водорода и зарождения холодных трещин.

Для гомогенизации и измельчения структуры металла шва перед окончательной термообработкой целесообразно прово­дить нормализацию с температур 1000—1050 °С. Это позволяет получать соединения с близкими к основному металлу пласти­ческими и вязкими свойствами.

20.3.4. Механические свойства сварных соединений

Проведение после сварки упрочняющей термообработки делает сварное соединение равнопрочным основному металлу в случае идентичности химического состава. Однако небольшое сниже­ние пластичности и вязкости металла шва может определить возникновение хрупкого разрушения, когда в условиях высоко­прочного состояния уровень данных показателей для основного металла близок к минимально допустимым. Поэтому уровень прочности металла шва обычно не стремятся повысить сверх

Ов-1700 МПа. В тех случаях, когда для обеспечения работоспо­собности конструкции важна ударная вязкость, применяют сварку без последующей термообработки. При этом предел і прочности соединений близок Ов-1000 МПа при KCU = / = 1 МДж/м2. При многослойной сварке применяют подогрев,/ предотвращающий охлаждение наплавленных слоев ниже тем 1 ператур у—a-превращения с явлением подстаривания. В про/ тивном случае старение мартенсита нижних слоев сопровожда­ется возрастанием прочности и твердости и снижением вязкости металла шва. При этом достигается комплекс механических свойств, промежуточный между свойствами закаленного и тер­моупрочненного состояния. Для ряда мартенситио-стареющих сталей повышения надежности сварных соединений достигают отказом от проведения старения после сварки или применяют подстаривание при более низкой температуре (~350 °С) для ограничения уровня прочности металла шва и околошовной зоны.

20.3.5. Служебные свойства сварных соединений

Температура эксплуатации мартенситио-стареющих сталей не превосходит 400 °С в связи с явлениями старения н перестари - вания. Высокая хладностойкость позволяет успешно эксплуати­ровать сварные изделия до температур —70-------------------------- 100 °С, а из от­

дельных марок стали и при криогенных температурах. Важней­шее свойство сварных изделий — высокая несущая способность при приложении статических нагрузок, в том числе и при нали­чии концентраторов напряжений. Это не касается конструкций, работающих в условиях вибрационных нагрузок, где преиму­ществ по сравнению с высокопрочными низколегированными сталями не наблюдалось. При о0,2^1400 МПа в ряде случаев отмечалось ускоренное развитие трещин в сварных соединениях. Другим перспективным направлением использования мартенсит - но-стареющих сталей является износостойкая наплавка.

Читайте также: